（通信与信息系统专业论文）高速铁路电波传播特性的研究.pdf

中文摘要1 摘要：高速铁路是铁路发展的必然趋势，但是速度的提高又对铁路移动通信系统 提出了更高的要求。要求铁路移动通信系统能够满足列车高速运行时，无线数据 传输的实时性与可靠性，具有较高的频谱利用率。但是在高速铁路环境下，由于 高速移动和复杂的地形条件，无线信道的性能发生急剧的变化，多径效应和多普 勒频移的影响使信号产生衰落。由于我国铁路新一代的移动通信解决方案正面临 着g s m - r 和t e t r a 系统两种选择，因此，本文主要从电波传播的角度，对g s m - r 和t e t r a 两种制式进行比较，结合我国铁路实际情况和未来发展方向，论证了未 来铁路移动通信系统结构与技术体制。 在前人研究的基础上，首先系统的介绍并比较了g s m - r 和t e t r a 系统的特性 和各自的优势，包括系统结构、射频性能、经济因素、实际应用等方面。然后介 绍了电波传播的理论和模型，包括大尺度衰落和小尺度衰落，在此基础上，分析 并建立了高速铁路移动信道模型。利用正弦波叠加法仿真得到了高斯过程，研究 了速度参数对高斯过程和莱斯衰落的影响，分析了衰落信道的统计特性一衰落频 度、衰落宽度、衰落深度与速度的关系，为后面的误码率分析作了铺垫。误码率 是本文的重点和创新点。利用m a t l a b 7 o s i m u l i n k 仿真软件的模块，建立高速铁 路的传播模型，对一般无线传输制式、g s m - r 、t e t r a 三种情况下的误码率和影响 误码率的因素进行仿真研究。主要利用了单模块独立仿真法和多模块综合信道仿 真法进行建模，基于每种制式自身的调制原理- b f s k 调制、g m s k 调制、7 r 4 d q p s k 调制，使信源发送的信号分别通过高斯白噪声信道、多径瑞利衰落信道、莱斯衰 落信道和多模块综合仿真信道，得不同情况下的误码率曲线。并且还研究了在列 车高速运动的时速度的变化对误码率的影响，得出了速度的提高对误码性能影响 不大的结论。同时，对信噪比、信号发送速率、b t 值等对系统性能有影响的几个 因素进行了仿真。 通过仿真对比发现，g s m r 的抗噪声性能好，而t e t r a 的抗多径性能很好，由 于高速铁路是多径效应比较严重的无线传输环境，因此t e t r a 很适合在高速铁路 信道环境中使用。文章最后，提出了一些改进无线传输误码性能的方法。 关键词：误码率；多径衰落；g s m - r ；t e t r a ；速度；瑞利衰落、莱斯衰落 分类号：u 2 8 5 2 1 1 本论文得到国家8 6 3 高技术研究发展计划项目“感知无线通信系统基于统计参量的电磁 兼容技术研究 ( 编号：2 0 0 7 a a 0 1 2 2 7 7 ) 资助，在此表示感谢。 a bs t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ed e v e l o p m e n t so fh i g h s p e e dr a i l w a yp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t t or a i l w a ym o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a tt h er a i l w a ym o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e ms h o u l db ea b l et om e e tt h er e a lt i m ea n dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n to f w i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nw i t hh i g hf r e q u e n c ys p e c t r u me f f i c i e n c yu n d e rh i g hs p e e d h o w e v e r , u n d e rt h eh i g h s p e e dr a i l w a ye n v i r o n m e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s s c h a n n e lh a st h es u d d e nc h a n g eb e c a u s eo fh i g h s p e e dm o v e m e n ta n dt h ec o m p l e x t o p o g r a p h i c a lc o n d i t i o n a l s o ，t h er e c e i v es i g n a l sa r ea f f e c t db yt h em u l t i p a t hf a d i n g a n dd o p p l e rs h i f t s i n c et h e r ea r et w oc h o i c e sw h i c ho u rc o u n t r ysr a i l w a yo ft h en e w g e n e r a t i o na r ef a c i n gt h a ta r eg s m ra n dt e t r a , t h i sa r t i c l ec o m p a r e sa n da n a l y s e s v a r i o u sd i g i t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sg s m ra n dt e t r a ， c o m b i n i n gw i t ht h ee x i a i n gs t a t u sa n df u t u r et r e n d s t h e nt h ef u t u r er a i l w a ym o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms t r u c t u r ea n dt e c h n i c a la r c h i t e c u r ea r es t u d i e df r o mt h ea n g l eo f t h er a d i ow a v ep r p p a g a t i o n b a s e do nt h er e s e a r c ho ff o r m e r , t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h es y s t e m a t i c c h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t ya n dr e s p e c t i v ea d v a n t a g eo fg s m - ra n dt e 砒i n c l u d i n g s y s t e ms t r u c t u r e ，e c o n o m i cf a c t o r , r a d i of r e q u e n c y , r e a l i t ya p p l y , a n d s oo n t h e nt h em o d e lo fm o b i l er e c e i v e rw i t hh i g h s p e e da r ed i s c u s s e di nt h e o r y , i n c l u d i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a d i ol a r g e - s c a l ep a t hl o s sa n ds m a l l s c a l ef a d i n g t h es t r u c t u r eo f m o d e lw a sc o n f i r m e di ni n t r o d u c t i o ns t e p ，b a s e do nt h es y n t h e s i sc o n s t r u ea n d d i s c u s s i o n g a u s s i a n f a d i n g a r es i m u l a t e d u s i n g t h e t h e o r y o fs i n e s u m m a t i o n m e a n w h i l e ，t h ei m p a c to fs p e e do ng a u s sf a d i n gp r o c e s sa n dr i c i a nf a d i n g p r o c e s sa r es t u d i e dw h i c hi s t h eb e d i n go ft h es t u d yo fb i te l l o rr a t e a l s o ，t h e r e l a t i o n s h i po ft h es t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so ft h ef a d i n gc h a n n e l sw h i c ha r et h ef a d i n g f r e q u c e n c y , t h ef a d i n gw i d t ha n d t h ef a d i n gd e p t ha n ds p e e di sd i s c u s s e d b i te r r o rr a t ei st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h i sa r t i c l e t h em o d e lo fm o b i l ec h a n n e l w i t hh i 曲s p e e da r eb a s e du s i n gt h eb l o c k so fm a t l a b7 0 s i m u l i n k t h e r ea r et h r e e w a y so ft r a n s m i s s i o nt h a ta r es t u d i e dw h i c ha r eg e n e r aw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e m ， g s m - ra n dt e t r a t h ew a y so fs i m u l a t i o na r es i n g l e - b l o c ks i m u l a t i o na n d m u t i - b l o c k ss i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h em o d u l a t i o np r i n c i p l eo fe v e r ys y s t e mw h i c hi s b f s km o d u l a t i o n , g m s km o d u l a t i o n ，7 r 4 d q p s km o d u l a t i o n , t h es i g n a l sp a s st h e d i f f e r e r tc h a n n e l sw h i c ha r e 嘶t eg a u s s i a nn o i s ec h a n n e l m u l t i p a t hr a y l e i g hf a d i n g v a bs t r a c t c h a n n e l ，r i c i a nf a d i n gc h a n n e la n dm u l t i b l o c k sc h a n n e l t h e nw ec a l lg e tt h ec i l l - v e o fb i te r r o rr a t e t h ei n f l u e n c eo fs p e e dt ob i te r r o rr a t ei nh i 曲s p e e dm o v e m e n ti s s t u d i e d r e s u l t si n d i c a t e dt h a ts p e e dp l a y sas m a l lp a r tt ob i te r r o rr a t e a tt h es a m e t i m e ，t h es i g n a l t o n o i s er a t i o ，t h eb i tr a t ea n dt h ev a l u eo fb t a l es i m u l a t e d w ec a l lf i n dt h a tg s m - ri sg o o da ta n t i - n o i s ew h i l et e t r ai sg o o da ta n t i - m u l t i p a t h f a d i n gu s i n gs i m u l a t i o n i ns h o r tt h a tt e t r a i ss u i tf o rh i 曲s p e e dr a i l w a yw h i c hh a s s e r i o u sm u l t i p a t hf a d i n g f i n a l l y , t h ew a y so fi m p r o v i n ga r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：b i te r r o rr a t e ，m u l t i p a t hf a d i n g ，g s m rt e t r a ，v e l o c i t y , r a y l e i g h f a d i n g ，r i c i a nf a d i n g c l a s s n o ：u 2 8 5 21 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 浠醐 签字日期：凇8 年6 月j 2 b 导师签名：7 、习峨乏2 签字日期：枷年6nj 明 一 ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 为甄鹄 签字日期：如g 年6 月f 2 日 致谢 本论文的工作是在我的导师闻映红老师的悉心指导下完成的，闻映红老师严 肃的科学态度，严谨的治学精神，渊博的学识、精益求精的工作作风，深深地感 染和激励着我。两年来，闻老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想上、 生活上给我以无微不至的关怀，在思想道德情操和为人处事上给我树立了光辉的 榜样。从课题的选择到论文的最终完成，闻老师都始终给予我细心的指导和不懈 的支持。在此谨向闻老师致以诚挚的感谢和崇高的敬意。 感谢沙斐老师、周克生老师、朱云老师、王国栋老师、王凤兰老师给予我的 指导，在我攻读硕士学位期间，电磁兼容实验室的每一位老师都给予了我很多关 心和帮助。我对电磁兼容领域知识的理解、领会和应用都离不开各位老师的引导 和培养。 我还要感谢我的师兄师姐和同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克 服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。感谢陈嵩师兄、杨飞师兄、王 强师兄、孟东临师兄、宋维嘉师兄对我学习上的帮助，感谢实验室的同学们，是 你们使我度过了愉快而美好的研究生时光。 感谢含辛茹苦培养我长大的父母，你们的理解和默默的支持使我能够在学校 专心完成我的学业，你们的健康是我最大的快乐。 最后祝所有给予我帮助的亲人、老师、朋友和同学一切顺利、幸福健康。 第一章绪论 铁路的发展趋势是高速化、重载化和多模式运输。铁路作为一种经济、大运 量的交通工具，在各个国家的经济生活中做出了重大贡献。但近年来，遇到了航 空和公路的严峻挑战，促使各国铁路进行内部的体制改革和运输手段上的技术创 新，铁路高速化应运而生。一般认为，时速2 0 0 公里以上称为高速铁路。按这个 说法，高速铁路自5 0 年代就出现了，至今已有了4 0 多年的发展历史。高速化已 经成为当今世界铁路发展的共同趋势。近几年来，世界各国相继建成了高速铁路， 最高时速都超过3 0 0 k m h ，大大缩短了列车运行时间。 我国高速铁路的发展，是从既有铁路提速开始的。自1 9 9 7 年以来，多次进行 铁路全面提速。2 0 0 6 年，我国铁路实现了第六次全面提速，在大幅度增加铁路线 路资源的同时，提高了列车运行的最高速度，如南京至上海的动车组最高时速可 达2 5 0 k m h 。“十一五”期间，我国将投资1 万亿元用于高速铁路建设，如建设中 的京津高速铁路，时速可达3 0 0 k m h 。 1 1 铁路发展对移动通信系统的要求 铁路移动无线通信由于其组网方式和通信环境等特殊性，具有其自身的特点。 特别是随着列车速度的提高，高速铁路移动通信已经成为各国竞相研究的课题。 研究的一个重要前提就是要了解高速铁路移动信道的特性。与公用移动通信系统 的信道相比，高速铁路移动信道存在着以下特点。 1 铁路移动通信的基本特点是移动范围只限于铁路沿线的狭长地带和站场所 在的限定区域。因此铁路移动通信系统一般采取链状的组网结构以及方向性天线， 铁路无线电波传播特性以直射路径为主，多径传输影响较小，电波传播服从莱斯 ( r i c i a n ) 分布。通信一般仅限于铁路沿线范围，具有较低的路径时延。 2 高速列车经常通过隧道、路堑、深沟，这些环境下的衰耗是很大的。比如 在一般的隧道环境下，衰耗大约为7 - - 8 d b k m 。当然，衰耗值还与隧道长度、截 面积、岩石电导率、磁导率以及隧道内车辆数有很大关系。这些都是需要考虑的 因素。因此，一般的公众移动通信网不能适合这样的特殊传输环境。而且在这种 传输环境下无线覆盖区很不规则，传输质量经常恶化，不能满足高速列车的行车 安全以及乘客的通话质量要求。 3 随着列车速度不断提高，接收信号的多普勒频移线性增加，从而导致接收 信号快速衰落，无线信号质量急剧恶化，误码率大大增加。 高速铁路移动信道的特点对铁路移动通信系统的实时性和可靠性提出了挑 战。同时，由于高速铁路移动通信系统的业务已经不仅仅局限于话音，还要能够 传输列车位置、运行状态以及其他数据信息，甚至还要传送图像，对未来的铁路 移动无线通信系统在技术上提出了更高的要求。在技术和功能方面，未来铁路对 无线移动通信系统的要求主要包括以下几个方面。 1 无线移动通信系统在网络结构、硬件设备、软件算法等方面都要适应列车 高速运行的要求。要求移动通信系统在时速3 0 0 k m h 的条件下，能够满足无线数 据传输的实时性和高可靠性。 2 随着铁路发展对无线通信需求的日益增加，必须在频率资源有限的情况下， 尽可能满足生产和发展的要求，提高频率利用率。 3 无线移动通信系统能够实现移动闭塞制式的列车运行自动控制( a t c ) 。移 动闭塞制式下，铁路行车密度增大，列车运行过程中要与调度中心之间进行大量 的双向信息传输，因此，要求无线通信系统必须能够满足列车控制信息传输的实 时性和可靠性要求。 4 高速铁路无线移动通信网沿着高速铁路线建设，小区呈链状分布。由于列 车在高速行驶中频繁跨越小区，无线移动通信系统必须具有快速越区切换的功能。 能够适应不同的地形环境( 平原、丘陵、山区、桥梁、隧道、城市) 。 1 2 研究现状 1 2 1 电波传播模型及理论的研究现状 ( 1 ) 陆地移动通信系统 在所有的无线通信系统中，必不可少的要研究电波传播，尤其在一些移动通 信系统中，电波传播区内的传播路径很少是视距的，这就意味着，发射波到达接 收机之前，大多受到空间环境中的建筑物、高塔和其他障碍物的影响，电波的传 播特性显著地不同于自由空间的传播特性。虽然关于移动传播问题已发表了许多 研究成果，然而还是奥村首先提出了移动通信系统设计中所需的整体范围的移动 传播特性晗1 。1 9 7 0 年，他阐明了2 0 0 m h z 频带至2 o g h z 频带宽频带范围内城市、 郊区和开阔区等传播环境的传播路径损耗特性。在他的影响深远的文章中，也论 述了天线高度对路径损耗的影响。他以图表曲线的形式总结了他的研究成果，被 人们称之为奥村曲线，己为c c i r s g 5 的建议3 7 0 口1 所采用，成为全球移动通信系统 设计的依据。他在完成基本研究之后，继续进行提高预期精度的电波传播的研究， 2 并取得了一定的进展h 1 。多贺导出了预期传播路径损耗公式，现在系统设计师都采 用该公式陌1 。还有人利用几何光学或几何绕射理论，并且根据建筑物的数据和地貌 特点，导出了预测场强的理论计算公式儿。 接收分集是电波传播领域的重大成果之一。测量了不同传播环境中两天线之 间的相关系树，并得到了分集接收能实现的接收电平。为了提供更多的业务，全 球开发了数字移动通信系统，但所面临的最棘手的问题是在严重衰落环境中进行 宽频带传输。例如，为了开发g s m ，进行了宽频带移动传播测量，劳伦兹总结了通 过测量和评估所获得的重要结果随1 。世界范围内正在推进分集接收或均衡技术以减 小多路径时延。研究传播时延时，不能孤立地考虑传播和传输特性。例如辐射方 向图和相关系数这样一些天线传播特性与传播时延密切相关，因此必须把传播、 系统传输和天线一起考虑，进行总体研究旧。 ( 2 ) 无线传播问题 场经常是由多路径传播产生的反射场和绕射场构成的，在多数情况下，场结 构是复杂的。在无障碍的开阔区，传播问题的处理是简单的。一般说来，在地面、 山区和海上的传播，至少要产生一次反射波。早期，人们用射线理论求解场，后 来又提出了全波理论。桑莫费尔德n 引、万德普尔及其他人n 妇对陆地和海上的传播 问题做出了很大的贡献。布灵顿n 2 1 根据布鲁斯理论所研制的图表来估算陆地移动 传播的v t t f u h f 场强。已建立的陆地移动、海事、航空和移动卫星系统的模型n 3 h 埔1 均由实验数据所验证。在市区中，场通常由多个波组成，并且还存在多路径传播 问题，很难用分析方法解决市区的电波传播问题，此时统计方法在解决城区传播 问题上可发挥重要作用。奥村研制了有用的图表，称之为奥村曲线，可以用来估 算市区和郊区的电波传播损耗n7 1 。海事和航空移动系统也存在类似的疑难的传播 现象。在封闭区，如室内、隧道、地下通道，因为场结构很复杂，还没有建立确 定的模型n 町。啪1 。一般的，市区传播问题，当考虑场为随机性结构的时候，可采用 瑞利模型；隧道和地下通道，如果传播路径是视距的，场问题可以用有耗传输线 或波寻理论来处理；狭长地带的传播问题用直射波模型解决。 鉴于目前有很多探索传播规律的模式，一般将它们分为模拟模型和数字模型。 数字模型主要是马尔可夫数字信道模型。它专用于研究数字通信误码性能的模式， 将移动无线信道完全抽象化，用一个马氏矩阵表示。基本原理是在某一瞬间，只 需要了解信道是处于有误码状态还是无误码状态即可，信道由一个状态向另外一 个状态转移的概率构成一个马尔可夫转移概率矩阵，误码特性完全由矩阵元素确 定，信道模型化的过程就是如何确定马尔可夫信道参数的过程。马尔可夫信道虽 然不涉及具体的电波传播计算，而信道模型化的过程仍必须以大量的传播试验或 软、硬件信道模拟试验为基础。模型的成功与否在很大程度上仍取决于人们对信 道传播特性的掌握是否准确。 模拟传播模型倾向于研究大量经历了不同传播路径的反散射波的幅度、相位 和时延的随机变化特性。主要用于理论计算传播损耗和平均场强。模拟传播模型 直观性强，易于理解和分析，计算方便，并与实际情况结合紧密，是现代移动通 信尤其是城市移动通信电波传播计算中应用最为广泛的模型。但是大多数模型仍 采用了经验公式或人为估算的方法来确定反、散射传播中非常重要的参数一多路 径径数、路径时延，信号扩展时延等具有随机概率分布的参数。 例如：j 。f o s s a n n a 口假定信号在传播过程中受到一排排相互平行的建筑物墙 壁的反射，反射波与直射波互相干涉形成驻波，移动台在驻波场中运动，遇到波 谷则产生信号衰落。该模型的理论计算与实验结果基本相符，但是对环境和建筑 物的布局结构有比较严的要求。e n g i l b e r t 晗羽首先假定移动台的接收信号来自n 个固定的、一等角度隔开的方向上，任一来波的相位在o 2 石之间均匀分布，幅 度服从瑞利分布。其次，允许来波方向以相等的概率出现，相位仍假定为均匀分 布，幅度则假定为常数。最后又在前述假定的基础上，假定了幅度服从任意分布， 并构造出了相应的散射模型。c l a r k e 剀根据散射原理，系统的分析了电磁场各分 量的空间和频率的相关性及其分集效果，导出了衰落频谱。a u l i n 乜们在c l a r k e 的 研究基础上考虑了入射波的倾角因素，更加接近现实情况。t u r i n 口5 1 和s u z u k i 啪1 首次考虑了电波传播入射波的径数的具体分布，提出了径数服从泊松分布的设想。 1 2 2 铁路通信系统的现状 我国铁路新一代的移动通信解决方案的选择必须能够提供一个综合的移动通 信系统平台，可以根据铁路各个部门的需求提供虚拟的独立的专用移动通信系统： 还要满足我国铁路未来的移动通信业务需求，保证铁路运行的安全高效：既能适 应我国铁路向高速化发展对移动通信系统的技术需求，能够有效地利用无线频率 资源；又要采用先进成熟的现代通信技术，并且技术标准能与发达国家接轨；还 要能够便于向更先进的通信系统过渡，以便满足铁路发展的新的需求。目前，欲 进入我国市场的具有调度功能的数字移动通信系统包括欧洲的g s m - r 系统、欧洲 的t e t r a 系统、m o t o r o l a 的i d e n 系统、以色列的f h m a 系统，它们都是基于t d m a 多址方式系统。 我国铁路数字移动通信采用何种通信系统，现在争论的焦点主要在g s m - r 系 统和t e t r a 系统之间。对当今的某些铁路运营者来说，这似乎是一个两难的选择。 g s m - r 系统和t e r e a 系统谁领风骚? t e t r a 经过几年的发展，已被大多数国家所接受，并逐渐向世界标准迈进。1 9 9 9 4 年1 0 月1 9 日，在阿姆斯特丹召开了第二届t e t r a 世界大会，大约有5 5 0 多名代 表参加了这次大会，6 0 多位来自世界各国的专家发表了演讲，1 8 家厂商展示了其 t e t r a 系统设备、测试设备和各种配套设备。t e t r a 标准的开放性，赢得了全球各 国的广泛关注，合同从欧洲、亚洲、远东、新西兰等地纷沓而至。澳大利亚、非 洲、北美等也对t e t r a 发生了浓厚的兴趣。著名公司摩托罗拉、诺基亚、马可尼 等都按t e t r a 标准开发生产t e t r a 数字集群系统，并且开始在一些地区投入运行。 我国在指定数字集群标准的时候也采用了t e t r a 标准的空中接口部分。t e t r a 得到 市场和制造商的支持，将成为数字集群移动通信的主流。 与t e t r a 分庭抗礼的是国际铁路联盟制定的g s m - r 。1 9 9 2 年，国际铁路联盟 组织了e i r e n e 工作组，研究开发新一代铁路综合移动通信系统标准。1 9 9 7 年，欧 洲2 4 个国家的3 2 个铁路组织与其签署协议，承诺共同为g s m - r 作为新一代的铁 路无线通信设备进行努力。g s m r 标准采用了已有的数字移动通信系统标准g s m 作 为研究基础，对g s m 系统不具备的功能和不符合铁路移动通信要求的技术指标进 行扩充和修改，即群呼、广播式呼叫、优先级呼叫、间接编号寻址，快速呼叫建 立等。其基本设想是利用先进技术开发满足欧洲铁路移动通信需要的欧洲铁路移 动通信系统，并成为未来铁路运用和业务发展的方向。该系统包括传输话音和数 据通信的轨道一列车无线；用于列车控制系统的数据传输；以及服务、维修无线； 调车无线；满足铁路站、段、车间和管理人员间通信的无线系统。 随着中国铁路运输事业的迅速发展，高速、准高速的铁路会越来越多，对列 车设施方面的要求会越来越高。并且目前的每个无线通信系统都是针对相应的任 务而设置的，各系统之间的过渡很困难，或者根本就不能过渡，而且频率资源浪 费，信道利用率低。为了进一步提高频谱利用率以适应大容量的需求，为了开展 数据承载业务，适应列车提速后对列车位置、列车速度等数据信息的传输需求， 铁路移动通信必须由模拟通信向数字通信过渡。同时为了节约频率资源，提高信 道利用率，用户也应由单一部门向多个部门发展，实现共同建网、共同频率、共 用设施、共享覆盖区、共享通信业务、共同负担费用，提高服务质量。我国应尽 快解决好以上问题，适应我国铁路运输自动化的需要，加速进行铁路数字移动通 信体制和规划的研究，确定铁路通信制式的发展战略。 1 3 本文主要研究内容 本文将根据我国铁路的实际情况，在前人研究的基础上，对高速铁路的电波 传播特性进行分析，并比较g s m - r 与t e t r a 系统的性能，重点通过误码率分析得 到两种系统的传输性能孰优孰劣。 ( 1 ) g s m r 与t e t r a 特性介绍 本文第二章对我国现行的两种通信制式的系统结构和主要特点进行了介绍， 并从频谱效率、射频性能、小区覆盖、对高速铁路的适应性、经济性、数据业务、 实际应用等几个方面对g s m - r 和t e t r a 进行了初步的比较。 ( 2 ) 电波传播的理论介绍 本文第三章介绍了移动通信系统的电波传播模型和理论，主要包括大尺度路 径损耗特性和小尺度路径损耗特性。对引起衰落的多径效应进行了解释。为后面 研究高速铁路的电波传播和误码率影响因素提供了理论依据。 ( 3 ) 高速铁路电波传播模型的建立 本文第四章建立了高速铁路的电波传播模型，利用正弦波叠加法仿真实现了 高斯随机过程，用等距离法确定高斯过程的参数。分别仿真不同列车速度下的高 斯过程。仿真实现了莱斯过程，研究了速度对莱斯过程的影响。分析了衰落频度、 衰落宽度、衰落深度与速度的关系。 ( 4 ) 误码率的仿真 本文第五章以m a t l a b 7 o s i m u li n k 为平台，对高速铁路的传播误码率进行了 仿真，这是本文的重点。主要完成以下任务； 夺研究一般的移动无线传播误码率，通过单模块衰落信道独立仿真方法和多 模块衰落信道综合仿真方法，仿真了瑞利衰落、莱斯衰落对误码率的影响，研究 了速度的影响。 夺结合高速铁路的实际情况，研究了g s m r 制式的误码率和影响因素，包括 信噪比、b t 值、多径衰落等。 建立t e t r a 的传播模型，仿真误码率，并比较了不同调制方式的优劣，研 究了多径衰落对信道特性的影响。 将g s m - r 和t e t r a 的抗噪声性能和抗多径性能进行比较。 ( 5 ) 结论与展望 本文最后一章对所有的研究工作做了总结，提出改进信道传输性能的措施。 6 第二章铁路数字移动通信技术体制的研究 2 1t e t r a 系统介绍 2 1 1t e t r a 系统结构 源自e t s i ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r di n s t i t u t e ) 的t e t r a ( t e r r e s t r i a lt r u n k e dr a d i o ) 标准树立了p m r ( p r o f e s s i o n a lm o b i l er a d i o ) 和p a m r ( p u b l i ca c c e s sm o b i l er a d i o ) 系统的重大里程碑。它提供了比以前p m r 更多的功能，以及不被g s m 蜂窝系统支持的基本功能，比如组呼( 一对多) 以及直 通模式d m 0 ( d i r e c tm o d eo p e r a t i o n ) ( 通俗的说法为对讲或背靠背操作) 。t e t r a 系统结构见图2 1 ： 图2 1t e t r a 系统结构图 f i g u r e2 - 1t h es y s t e ms t r u c t u r eo f t e t r a 由图2 1 可见，t e t r a 提供了一个完美的技术方案用以满足p m r p a m r 用户的 独特需求。此外，技术的标准化为此系统提供了更大的发展空间，既有利于用户， 同时也有利于生产厂商汹1 。 2 1 2t e t r a 系统特点 7 ( 1 ) 业务的多样性 t e t r a 系统既支持话音通信又支持多种数据业务。话音通信业务包括单呼、群 呼和应急呼叫。数据通信业务包括短数据消息状态消息、分组数据和电路交换数 据。电路交换数据的最高速率可达2 8 8 k b i t s ，适用于在短时间内传送大量数据 的业务。分组数据的典型应用是电子邮件和数据库查询。短数据消息可用来传送 调度员的简短指令及自动车辆定位信息等。短数据消息的传送可以在呼叫中同时 进行，不必为传送短数据消息而中断呼叫。状态消息共有3 2 0 0 0 种，可用来跟踪 资源及设备的状态。 ( 2 ) 高频谱效率 t e t r a 系统采用t d m a 技术，一个2 5 k h z 载波可提供4 个通信信道，同时支持 4 个话音通信或数据通信。显然，其频谱效率要比模拟集群系统高得多。 ( 3 ) 高通信保密性 t e t r a 系统在通信过程中自动实行话音、数据和信令的加密，并对用户的合法 性自动进行识别。它有两种加密方式，可适应用户的不同要求。 半空中接口加密：指终端设备与基站之间的无线通路上的加密。在t e t r a 系统 中，普遍采用空中接口加密。 ：i = 端对端加密：适用于对保密性有严格要求的应用场合。在端对端加密中，用 户保持自己特有的密钥，系统只是为用户提供透明的通信线路和标准接口，并不 参与加密过程。 ( 4 ) 良好的连接性 * t e t r a 系统具有下列多种标准接口，以确保外部设备和系统的连接。 木移动台和手机均有数据设备接口，可连接数据终端和其他数据外围设备。 ：i c 系统有p s t n 、i s d n 和p d n 等接口，可实现与公用网的连接。 水系统有i s i 接口，可实现不同厂家生产的t e t r a 系统之间的连接。 木系统有p a b x 接口，可实现与其他专用电话网或专用移动通信网之间的连接。 木系统还有l a n w a n 接口和管理计费接口。 ( 5 ) 快速呼叫建立 t e t r a 系统的呼叫建立时间很短。在同一基站范围内的呼叫建立时间小于 3 0 0 m s ，在同一网络内的呼叫建立时间小于5 0 0 m s ，这对公共安全和紧急服务是很 重要的。相比之下，g s m 的呼叫建立时间长达l o s 一- - 1 5 s 。对于危险、应急情况及 铁路调度是不允许的。这也是为什么g s m 不适用于调度业务的一个重要原因。 ( 6 ) 良好的调度特性 系统具有群呼、动态重组、遥毙、区域选择、迟接入、侦听和优先等调度用 关键特性。多呼叫优先方案保证了资源能分配给网络中最紧急的业务。其优先方 案有下列两类。 水排队：当系统资源不足时，用户排队轮候。 水预占优先：对于具有预占优先权的用户，需要时系统将释放优先级用户正在 使用的信道，以供预占优先用户使用。通常用于应急呼叫。 2 2g s m r 系统介绍 2 2 1g s m r 系统结构 g s m r 是采用公开标准的调度通信系统汹1 。1 9 9 2 年，欧洲铁路通信标准机构 ( e i r e n e ) 就开始了怎样将公共g s m 平台移植为铁路应用的研究，旨在寻找一种能 满足未来铁路无线通信需求的、先进的、数字式通信系统，用来取代目前各种落 后的、不同制式的模拟系统。e i r e n e 在1 9 9 5 年完成了频率的分配，1 9 9 7 年开始 在法国、德国和意大利建立了3 个试验网，进行了大量的系统验证试验，试验结 果表明g s m r 能完全满足欧洲铁路部门对于铁路无线通信提出的规范和要求。 g s m r 针对铁路通信的特点，在公共g s m 平台上开发了能满足铁路特殊需求的 功能，并已将其标准化。如用于无线列调的依据位置的寻址功能和根据功能号的 寻址功能、用于应急通信的小区语音广播功能和用户优先级功能、用于调车编组 的语音组呼功能等等。这些标准化的功能已被欧洲通信标准化组织( e t s i ) 列入 g s m p h a s e 2 + 中。g s m - r 的系统结构见图2 - 2 ： 园 图2 2g s m r 系统结构 f i g u r e2 - 2t h es y s t e ms t r u c t u r eo fg s m - r 9 2 2 2g s m r 系统特点 1 ) 经济性 由于g s m r 可以实现跨越国界的高速和普通列车之间的通信，能将现有的调 度通信融合到单一的网络平台中，减少了集成和运行费用。而且g s m - r 是由标准 化的设备改进而成，g s m 平台已经提供了大量的业务，引入调度专用功能时，只需 做最低限度的改动，就能实现价格低廉、性能可靠的运行。 2 ) 功能特性 术可与各种公用通信网互连互通，明确了接口规范。 水能提供穿越国界的自动漫游功能。 水支持多种业务。 木具有很好的网络安全性。 ；| c 组网结构灵活方便，频率复用率高，话务承载能力强。 3 ) 技术扩展 g s m - r 是基于公共g s m 技术开发的。公共g s m 系统的技术发展很快，g p r s ( 通 用分组无线业务) 技术已引入g s m 网中。g p r s 能使数字通信的速率由原来的 9 6 b i t s 提高至1 1 5 k m t s 。g p r s 技术能很容易地移植到g s m r 系统中来，开发 出各种针对铁路的服务! 另外，智能网技术也使g s m - r 未来能提供各种由网络运 营商自己开发的服务，使各种服务功能更加灵活，更适合本地的需要。 2 3g s m r 和t e t r a 的比较 2 3 1 频谱效率 ( 1 ) t e t r a 系统的频谱效率 信道效率的定义是：在给定频段内可提供的最大信道数，其单位是c h m h z 。 通常，大区制系统的信道效率可以用来表征频谱效率，而小区制系统还需考虑频 率复用模式。t e t r a 提供4 信道2 5 k h z ，它的频谱效率为1 6 0 c h m h z ，因此t e t r a 能提供较多的信道，支持更大的容量，在不增加任何射频设备的情况下有更强的 能力来满足未来移动数据应用。 ( 2 ) g s m - r 系统的频谱效率 g s m - r 采用蜂窝小区系统，在一个2 0 0k h z 频宽的载频上被分为8 个时隙，提 供8 个话音链路。它的频谱效率与小区覆盖区域规划有关，可利用某一规划地理 区域内的可提供信道数表示。因此，它与蜂窝区域结构或频率重用系数有密切关 1 0 系。蜂窝系统的频谱效率的定义可有多种，例如，每蜂窝小区的信道数( 信道数 小区) ：每平方公里的信道数( 信道数平方公里) ：每蜂窝小区、每兆赫频带可提供 的最大信道数( 信道数小区兆赫) 。 ( 3 ) 分析比较 由于t e t r a 提供4 信道2 5 k h z ，而g s m 提供8 信道2 0 0 k h z ，就单载频、单 小区而言，t e t r a 的频谱利用率是g s m 的频谱利用率的4 倍。考虑到基于1 9 d b 的 c l l 要求的t e t r a 系统需要使用1 2 个小区频率复用模式，而基于9 d b 的c i 要求 的g s m 系统需要使用7 个小区复用模式，以及在同样带宽内t e t r a 提供的语音信 道比g s m 高4 倍，我们发现t e t r a 的频谱效率是g s m 系统( 全向天线) 的频谱效率 的2 3 倍( 4 水7 1 2 ) 。 2 3 2 射频性能 表2 - 1g s m - r 与t e t r a 射频性能的比较 t a b2 - 1t h ec o m p a r i s o no f g s m ra n dt e t r ai nt h ec a p a b i l i t yo f r f 项目 g s m - rt e t r a e t s t 标准定制时间1 9 9 7 年初1 9 9 5 年1 2 月完成 调制方式 g m s k 卫 4 q p s k 信道带宽2 0 0 k h z 提供8 个独立信道2 5 k h z 提供4 个独立信道 3 8 0 - - - 4 0 0 410 - - - 4 3 0 4 5 0 - - 频段( 心z ) 8 7 6 8 8 0 9 21 9 2 5 4 7 0 8 0 6 8 2 1 8 5 1 8 6 6 最小频率复用c i ( d b ) 91 9 t e t r a g s m rc e p ts e t 8 0 0 9 0 0 z 中- 6 0 d b 的防 3 0